脉冲激励式多路传感器接口电路
2017-06-07 18:39:49
P716：B 1刖目一个现代测量系统中，要用微机监测和控制某过程中发生的多种参数，就需要用传感器（敏感元件）将这些物理和化学参数转换为模拟电量，再经放大器等调节电路把各通道的电量放大到所需量程，然后经模激转换器（ADC），送到微机进行筛选、校准计算等处理，最后存储起来，或者输送到后置电路或外设，或者经数颊转换器（DAC）再去控制执行机构从传感器之后到微机之前的输入接口电路，因测量对象的性质或数量的不同、测量准确度或采样频次的不同，有的很简单，有的却很复杂在海洋水文、气象、水质等参数测量中，一种敏感元件只能把一种参数转换为一种电量。各种敏感元件所需的激励源也各不相同，比如，有些电阻电压类传感器需要恒压激励源，应变传感器最好用恒流激励源，电感电容传感器必须用交流源激励，有些怕极化的化学传感器最好用脉冲源激励，而海水本身就是化学原电池的激励源虽然传感器输出信号不同，但除了一些数码或频率（脉冲）输出为数字量外，多数则被转换为模拟电压量。为了用一个ADC对多路信号量进行转换，各路信号往往要独立被放大不同的倍数，调节为统一的量程输出，然后再进行AD转换本文介绍的脉冲激励式多路传感器接口电路，在一个等幅脉冲源对多路传感器激励的同时，用一个由串行DAC和比较器组成的逐位逼近ADC，受控于87C51单片机完成多路信道的数字化采用这种方法的优点在于以下几点。
用一个逐位逼近ADC，实现对多路信道的数字化，简化测量电路用一个脉冲式直流电源，同时作为传感器和ADC组件的激励源和源，降低了对电源的要求快（每30fe―次8路扫描），但稳定可靠使用普通档次的元器件，实现低成本2关键技术本接口转换电路的关键技术在于：设计一个受单片机控制的电源管理电路，其功能和要求是：给各路模拟放大器和数字电路各供电，称为控制电压（C.V.）为各路传感器发送12个串行等幅脉冲，称为供桥电压（B.V.）多路采样结束前，发送一个同步信号，进入休眠单极性（-5V）稳压源的输出精度要求不高，用一个普通三端稳压器即可。
因为脉冲激励，所以电源及稳压器的功率要求并不高设计一套传感器放大电路，其功能和要求是：可接收脉冲电源激励。
在满量程范围内，有统一的输出幅度结构小巧，可放在其传感器壳体内。
设计以单片机为中心的测量、采集控制电路具有测量控制、数据处理和存储及发送的功能。
较简单的软件程序3脉冲激励式ADC原理本文所采用的接口电路框图如所示，它包括：传感器（以温度敏感元件Rt为例），比较器，12位串行DAC，电源和单片机1比较器把传感器输出电压Vin与数模转换器输出电压Vdac进行比较，比较结果Vd输入给单片机，单片机按逐位逼近过程工作，输出数字量Din，由12位串行DAC输出新的Vdac，形成闭环，直至Vdac=Vin，达到平衡，这时的Din即代表Vin的n 4电源管理及激励电源如所示，负9V电源E经三端稳压器LM7905后，输出为负5V的控制电压C.V.CV.的始和停由FETQ1和Q2控制当来自87C51的P24. 2的脉冲信号使Q2的SD处于断开时，Q1却导通，使CV.开始供电此时，Q3亦处于断开态C.V.启动，运行一定时间（如15s）后，P1.1口发出脉冲前沿，它和RST的信号相“与”，经双FET管中的Q5导通，BV.处于负5V状态P1.1上的脉冲宽度为10ms，当其恢复为0态时，双FET管中的Q4导通，Q5断开，使B.V.处于0假设P1.1上的脉冲周期为50ms，则会产生所示的BV.桥路脉冲串。P1.1连续发送12个脉冲后，空闲1.再发送第二组12个脉冲共发送8组12位脉冲，在最后一组（第八组）的12个脉冲中的最后一个脉冲之后1.75s时，P1.1再送出一个组同步信号，延时1s后，单片机RST复位，使Q2和Q3导通，这时C.V.恢复为0电位，供电电路处于休眠状态5传感器归一化电路激励电源把稳压源输出的控制电压（C.V.）变换为传感器桥路激励电压（B.V.），一个12位的信道由性能稳定的两个固定电阻Ri和R2组成半桥，如所示。选择适当的Rr值，可使参ADC，对-于每一M感器Voa2脉冲电压。bUshf言道的输出丨岛被数字化为0到到之间的任一固定值nr，它的作用是校准仪器的状态性能每次测量都首先对信道进行扫描，当公用激励电源和数字公用电路因某种原因发生漂移时，Vr也会波动，nr随之变化这一变化量作为修正值，带入每一传感器通道的数字化输出中，从而不仅提高了测量的稳定性，而且对桥路电压（RV.）的稳定性降低了要求进行数字化时，Vr对应的数字量nr为：当选定Kr=这些nr值可以作为常数写在各台仪器中，即作为修正量的基数，也可作为区别各台仪器的代号。
5.2温度测量电路为改善线性，温度热敏电阻R，和兄串联后，再与R1并联，然后与其他电阻组成桥路为了设计计算和讨论的方便，由测量电阻Rt等组成的桥路可以简化为所示的分压式桥路。
显然，该桥路的输出电压V；与输入电压V，之比值Kt如下式：简化的测温电桥35C）的中心点（如tm=17.5C）向高端（如th=35c）和低端（如ti=0c）分别偏移一定的量（如±1/20）则数字化值n与温度桥路输出比Kt的关系应为式2设R=111，则应选购如所示特性的热敏元件。
这种特性的Rt在满程范围内，温度桥路的输出为了把K数字化为满量程为N的数字（如N即在t=0C时，v；=2.在压力作用下，两对称臂感受正压变，另两臂感受负压变，若每个应变片的电阻变化为AR，则输出电压Vd与输入电压V，的关系为：要达到归一化的±1/20，即±250mV的变化，放大器应有至少50倍的放大即当R= 2k时，R3应为1001A.9中的Ri和R2是为使运算放大器正输入端工作在虚地状态，其输出Vd以V，的中间点（2. 5V）为中心，上下变化5.4电导率测量电路电导率测量采用抗污染能力较强的感应式传感压器尤合在一起当激励电压RV.在初级线圈1产生环路电流时，在输入变压器的次级线圈n2-一单匝海水环路上产生感应的电流，因海水环路又是输出变压器的初级线圈，所以其次级线圈n3上也会产生感应的电压Vs，该电压的幅度随海水电导率的不同而变化，如所示。
一般情况下，感应式电导池的灵敏度较低，每1V的激励电压，3的输出仅为几毫伏，所以要放大几十甚至上百倍，中设计为约50倍放大后的输出电压Voc，在满量程范围内（即C=0- 2.75VVc经比较器AD707输送至单片机87C51的P2.1口，87C51将串行数字量输出给串行12位数模转换器LTC1452，其模拟量输出送至比较器与Vc进行比较，如所示。
为了使电导率测量更精确，稳定，快速，87C51同时将串行数字量输出给另一路12位DAC，其输出电流Ib作用于感应式传感器的输出变压器补偿线圈4上，4与3绕向相反4在3上的感应电势，应能使Vs最后保持在0的状态时，才达到平衡。
所以Ib即代表着电导率C的大小。
6接口电路工作时序（a）表示了8路12位的模数转换的时序，控制电压（C.V.）开启后，延时15s，开始8路串行采样，每路1.75s，最后一路采样结束后的1s内发送同步脉冲。C.V.的时间长度为15s+1.75SK8器，它由两个同轴变压器组成，水环路将两个变蜇+上图以描述了第一信道把一个模拟（6）石英时钟量转换为n=2659的过程1为总体测量电路电路板原理总体测量电路0为总体测量电路原理框图八选一开关（AD4051），可选择电阻（Rf）深度（D）温度（T）、电导率（C）溶解氧（DO）pH氨氮（NH4+），并空闲一路（OP）各传感器通道用一个激励电源（B.V.），按如所示的时序进行工作带有放大器的传感器，其运放的供电由控制电压（C.V.）统一供给。电路中比较放大器使用的是MAX400，数颊转换器使用的是MAX539电路中还包括控制采样电路，输出和存储电路，它们在单片机87C51的控制下完成以下的功能电源电压稳压和桥路电压发生多路采样控制和每一路的逐位逼近式控制i数字输出和存储1总体测量电路电路板原理总体测量电路软件流程总体测量电路中使用的软件用汇编语言编制，储存在程序存储器中。其软件流程图如1所示9采样误差的讨论这种设计在测量精度要求不高的前提下是可靠的。在仪器的使用过程中，假设仪器的下放速度为1m/s，以温度为例，在1m之内的变化不会超过1°C，而脉冲的脉宽为10ms，仪器在这个时间间隔内的下放距离不会超过1cm，则温度的变化不会超过0.01°C，也就是说用这种测量方法产生的误差不会超过±0.01°C，如果仪器要求的精度是0.fC，则产生的误差完全可以忽略，说明使用这种方法进行测量是可靠的10结语在海洋水文、气象和水质测量中，过去多路传感器的电源激励和模数转换分别由独立的电路完成，因而对传感器激励源的要求较高本文用12个串行脉冲在分时激励多路传感器的同时完成12位逐位逼近的模数转换，电路简单对电源的要求低成本低。
用一个逐位逼近ADC，实现对多路信道的数字化，简化测量电路用一个脉冲式直流电源，同时作为传感器和ADC组件的激励源和源，降低了对电源的要求快（每30fe―次8路扫描），但稳定可靠使用普通档次的元器件，实现低成本2关键技术本接口转换电路的关键技术在于：设计一个受单片机控制的电源管理电路，其功能和要求是：给各路模拟放大器和数字电路各供电，称为控制电压（C.V.）为各路传感器发送12个串行等幅脉冲，称为供桥电压（B.V.）多路采样结束前，发送一个同步信号，进入休眠单极性（-5V）稳压源的输出精度要求不高，用一个普通三端稳压器即可。
因为脉冲激励，所以电源及稳压器的功率要求并不高设计一套传感器放大电路，其功能和要求是：可接收脉冲电源激励。
在满量程范围内，有统一的输出幅度结构小巧，可放在其传感器壳体内。
设计以单片机为中心的测量、采集控制电路具有测量控制、数据处理和存储及发送的功能。
较简单的软件程序3脉冲激励式ADC原理本文所采用的接口电路框图如所示，它包括：传感器（以温度敏感元件Rt为例），比较器，12位串行DAC，电源和单片机1比较器把传感器输出电压Vin与数模转换器输出电压Vdac进行比较，比较结果Vd输入给单片机，单片机按逐位逼近过程工作，输出数字量Din，由12位串行DAC输出新的Vdac，形成闭环，直至Vdac=Vin，达到平衡，这时的Din即代表Vin的n 4电源管理及激励电源如所示，负9V电源E经三端稳压器LM7905后，输出为负5V的控制电压C.V.CV.的始和停由FETQ1和Q2控制当来自87C51的P24. 2的脉冲信号使Q2的SD处于断开时，Q1却导通，使CV.开始供电此时，Q3亦处于断开态C.V.启动，运行一定时间（如15s）后，P1.1口发出脉冲前沿，它和RST的信号相“与”，经双FET管中的Q5导通，BV.处于负5V状态P1.1上的脉冲宽度为10ms，当其恢复为0态时，双FET管中的Q4导通，Q5断开，使B.V.处于0假设P1.1上的脉冲周期为50ms，则会产生所示的BV.桥路脉冲串。P1.1连续发送12个脉冲后，空闲1.再发送第二组12个脉冲共发送8组12位脉冲，在最后一组（第八组）的12个脉冲中的最后一个脉冲之后1.75s时，P1.1再送出一个组同步信号，延时1s后，单片机RST复位，使Q2和Q3导通，这时C.V.恢复为0电位，供电电路处于休眠状态5传感器归一化电路激励电源把稳压源输出的控制电压（C.V.）变换为传感器桥路激励电压（B.V.），一个12位的信道由性能稳定的两个固定电阻Ri和R2组成半桥，如所示。选择适当的Rr值，可使参ADC，对-于每一M感器Voa2脉冲电压。bUshf言道的输出丨岛被数字化为0到到之间的任一固定值nr，它的作用是校准仪器的状态性能每次测量都首先对信道进行扫描，当公用激励电源和数字公用电路因某种原因发生漂移时，Vr也会波动，nr随之变化这一变化量作为修正值，带入每一传感器通道的数字化输出中，从而不仅提高了测量的稳定性，而且对桥路电压（RV.）的稳定性降低了要求进行数字化时，Vr对应的数字量nr为：当选定Kr=这些nr值可以作为常数写在各台仪器中，即作为修正量的基数，也可作为区别各台仪器的代号。
5.2温度测量电路为改善线性，温度热敏电阻R，和兄串联后，再与R1并联，然后与其他电阻组成桥路为了设计计算和讨论的方便，由测量电阻Rt等组成的桥路可以简化为所示的分压式桥路。
显然，该桥路的输出电压V；与输入电压V，之比值Kt如下式：简化的测温电桥35C）的中心点（如tm=17.5C）向高端（如th=35c）和低端（如ti=0c）分别偏移一定的量（如±1/20）则数字化值n与温度桥路输出比Kt的关系应为式2设R=111，则应选购如所示特性的热敏元件。
这种特性的Rt在满程范围内，温度桥路的输出为了把K数字化为满量程为N的数字（如N即在t=0C时，v；=2.在压力作用下，两对称臂感受正压变，另两臂感受负压变，若每个应变片的电阻变化为AR，则输出电压Vd与输入电压V，的关系为：要达到归一化的±1/20，即±250mV的变化，放大器应有至少50倍的放大即当R= 2k时，R3应为1001A.9中的Ri和R2是为使运算放大器正输入端工作在虚地状态，其输出Vd以V，的中间点（2. 5V）为中心，上下变化5.4电导率测量电路电导率测量采用抗污染能力较强的感应式传感压器尤合在一起当激励电压RV.在初级线圈1产生环路电流时，在输入变压器的次级线圈n2-一单匝海水环路上产生感应的电流，因海水环路又是输出变压器的初级线圈，所以其次级线圈n3上也会产生感应的电压Vs，该电压的幅度随海水电导率的不同而变化，如所示。
一般情况下，感应式电导池的灵敏度较低，每1V的激励电压，3的输出仅为几毫伏，所以要放大几十甚至上百倍，中设计为约50倍放大后的输出电压Voc，在满量程范围内（即C=0- 2.75VVc经比较器AD707输送至单片机87C51的P2.1口，87C51将串行数字量输出给串行12位数模转换器LTC1452，其模拟量输出送至比较器与Vc进行比较，如所示。
为了使电导率测量更精确，稳定，快速，87C51同时将串行数字量输出给另一路12位DAC，其输出电流Ib作用于感应式传感器的输出变压器补偿线圈4上，4与3绕向相反4在3上的感应电势，应能使Vs最后保持在0的状态时，才达到平衡。
所以Ib即代表着电导率C的大小。
6接口电路工作时序（a）表示了8路12位的模数转换的时序，控制电压（C.V.）开启后，延时15s，开始8路串行采样，每路1.75s，最后一路采样结束后的1s内发送同步脉冲。C.V.的时间长度为15s+1.75SK8器，它由两个同轴变压器组成，水环路将两个变蜇+上图以描述了第一信道把一个模拟（6）石英时钟量转换为n=2659的过程1为总体测量电路电路板原理总体测量电路0为总体测量电路原理框图八选一开关（AD4051），可选择电阻（Rf）深度（D）温度（T）、电导率（C）溶解氧（DO）pH氨氮（NH4+），并空闲一路（OP）各传感器通道用一个激励电源（B.V.），按如所示的时序进行工作带有放大器的传感器，其运放的供电由控制电压（C.V.）统一供给。电路中比较放大器使用的是MAX400，数颊转换器使用的是MAX539电路中还包括控制采样电路，输出和存储电路，它们在单片机87C51的控制下完成以下的功能电源电压稳压和桥路电压发生多路采样控制和每一路的逐位逼近式控制i数字输出和存储1总体测量电路电路板原理总体测量电路软件流程总体测量电路中使用的软件用汇编语言编制，储存在程序存储器中。其软件流程图如1所示9采样误差的讨论这种设计在测量精度要求不高的前提下是可靠的。在仪器的使用过程中，假设仪器的下放速度为1m/s，以温度为例，在1m之内的变化不会超过1°C，而脉冲的脉宽为10ms，仪器在这个时间间隔内的下放距离不会超过1cm，则温度的变化不会超过0.01°C，也就是说用这种测量方法产生的误差不会超过±0.01°C，如果仪器要求的精度是0.fC，则产生的误差完全可以忽略，说明使用这种方法进行测量是可靠的10结语在海洋水文、气象和水质测量中，过去多路传感器的电源激励和模数转换分别由独立的电路完成，因而对传感器激励源的要求较高本文用12个串行脉冲在分时激励多路传感器的同时完成12位逐位逼近的模数转换，电路简单对电源的要求低成本低。